基于压电陶瓷优化工艺的设计

王国章，李小龙，黄文军，张俊霞

（榆林学院，能源工程学院， 陕西 榆林 719000）



基于压电陶瓷优化工艺的设计

王国章，李小龙，黄文军，张俊霞

（榆林学院，能源工程学院， 陕西 榆林 719000）

摘 要：压电陶瓷是将机械能与电能进行转化的关键材料，已经应用到了军事、医学、电子信息、汽车工业等多个领域，但是含铅陶瓷有危害性。。通过实验，结果发现铅含量对压电性能影响可以实现优化。这一研究对于国家环保材料的发展有一定的参考价值。

关 键 词：压电陶瓷；工艺优化；铅含量；压电性能

压电陶瓷是将机械能与电能进行转化的关键材料，当前已经应用到了军事、医学、电子信息、汽车工业等多个领域［1-3］。显然压电陶瓷的相关工艺与技术的发展，必然给国民经济带来显著的变化［4，5］。就当前市场和各行各业的应用中最常见的是Pb（Zr、Ti）O3（PZT）系列的压电陶瓷材料，这是因为PZT是压电陶瓷应用中压电性能最好的一种。与此同时PZT还能采用一些掺杂改性的方法优化性能满足不同的需要［6-7］。然而。随着人们环保理念的不断发展，PZT中PbO占比超过一半以上，且PbO是一类有毒材料，人一旦吸收就可能出现铅聚焦，导致铅中毒，其后果不堪设想。不仅如此，工业生产中出现的废弃物必然会造成环境的危害，以食物链的形式不断危害各类生物［8-11］。国外，欧美在本世纪初提出新生产电子类材料不能含有铅。然而压电陶瓷，由于PZT的无可替代性，国外也只能将其列为禁止之外。随着社会科技的不断发展，很多学者进行了无铅材料的探索［12-14］。本文基于这一背景，从优化铅含量角度对陶瓷进行了改性工艺的研究，这一研究对于国家环保材料的发展有一定的参考价值。

1 PZT的材料的内部结构

通过现代仪器的发展，我们知道PZT是由一些无规则的颗粒晶体构成，如图1所示。图2则为每个晶格的结构。

图1 PZT的SEM端面图像Fig.1 PZT SEM face image

2 实验过程

本次实验我们是微观结构角度进行陶瓷的工艺优化。

2.1 本次实验的化学试剂

表1所列的化学试剂都是采用分析纯的级别，从表中看出原材料的含量纯度很高。这样受干扰影响较小。

表1 本次实验的化学试剂Table 1 The experiments of chemical reagents

图2 晶格的示意图Fig.2 Lattice diagram

2.2 本次的实验仪器

制备过程使用的实验设备信息见表2。

表2 优化工艺的实验设备Table 2 Optimization of process of laboratory equipment

2.3 实验样品的制备过程

本次实验的指标流程如图3所示。

图3 制备流程Fig.3 Preparation process

3 实验结果分析

本次实验测定的样品极化电压的结果，如表3所示。相应的介电常数特性谱如图4所示。

图4 PZT样品的压电系数与漏电流随铅含量的关系Fig.4 Samples of PZT piezoelectric coefficient and leakage current along with the lead

从图4看出，随着铅含量的不断增加，漏电流（i）表现为波动的变化，但是是不断增大的趋势，然而其对压电系数（d33）的影响开始不大。尽管有一定的波动。上述结果表明采用无铅压电陶瓷的设想是可行的。

表3 实验测得的PZT极化电压Table 3 The experimental measured PZT polarization voltage

4 结 语

随着压电陶瓷应用领域的不断扩大，压电陶瓷作为一种精密驱动器件，其自身的性能日益受到使用者的关注。无铅压电陶瓷的研究和开发是当前压电材料领域的研究热点之一，文中基于当前压电陶瓷的发展，进行的改性实验佐证显然符合当前发展趋势。

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Optimization of Process Design of Piezoelectric Ceramics

WANG Guo-zhang， LI Xiao-long， HUANG Wen-jun， ZHANG Jun-xia
（Institute of Energy Engineering， Yulin University ， Shaanxi Yulin 719000，China）

Abstract:Piezoelectric ceramic is a key material to convert mechanical energy into electric energy； it has been applied to military， medicine， electronic information， automobile and other fields. But the leaded ceramic is harmful. In this paper， the experiment found that effect of lead content on piezoelectric properties could be optimized. The result has certain reference value for development of national environmental protection material.

Key words:Piezoelectric ceramic； Process optimization； Lead； Piezoelectric properties

中图分类号：TB 383.1

文献标识码：A

文章编号：1671-0460（2016）02-0318-02

基金项目：国家自然科学基金项目（No. 51406176）和榆林市科技计划项目（No.2014cxy-05）资助

收稿日期：2015-10-28

作者简介：王国章（1982-），男，陕西榆林人，讲师，硕士，研究方向材料工程方向。E-mail：xuyunfei902@163.com。